有轨电车槽型轨的型面选择方法

强 锋 韩俊臣 杨 爽

(中车长春轨道客车股份有限公司，130062，长春//第一作者，工程师)

1 选择槽型轨的原因

为了提高路面利用率，有轨电车交通系统通常采用与公路交通工具共享路权的工程设计。为了解决钢轨与路面平交问题，同时从绿化和美观方面考虑，嵌入地面式轨道线路在有轨电车交通系统中得到了广泛的应用。嵌入式轨道线路主要分为两种：一种是将T型轨埋入整体无砟混凝土道床，轮缘槽由混凝土道床和T形轨的侧面形成(见图1)；另一种是采用整体式槽型轨(见图2)。

图1 T型轨嵌入式轨道

图2 整体式槽型轨嵌入式轨道

混凝土道床形成的轮缘槽不但成本高，而且在长期承受道路交通工具碾压后，轮缘槽结构极易遭到破坏，槽宽精度无法保证，所以，整体式槽型钢轨更受使用者的青睐。整体式槽型钢轨将轨头与护轮轨集成一体，其优点如下：①在车辆通过曲线时，集成的护轮轨起到了防脱限的作用；②与混凝土道床形成的轮缘槽宽相比，整体式槽型轨尺寸精度高，可实现更窄的的轮缘槽宽，最大程度降低了轨道凹槽对路面平顺度的影响；③更易填充完全包裹钢轨的减振、绝缘材料，保障钢轨良好的减振、接地能力。

2 槽型轨的型面选择方法

槽型轨种类繁多，在欧美很多国家有着悠久的应用历史。虽然近些年国内开始大量建设有轨电车槽型轨线路，但依旧困扰于如何正确选择钢轨型面。

通过系统分析，影响槽型轨型面选择的因素很多。这主要包括钢轨的承载能力、轨头形状、轮缘槽宽、槽深、采购成本等。下面通过对比EN14811[1]标准中60R2(旧牌号为Ri60N)、59R2(旧牌号为Ri59N)、55G2(旧牌号为41GP)、55G1(旧牌号为35GP)4种应用较为广泛的槽型轨，来介绍合理选择槽型轨型面的方法。

2.1 轨道承载能力

抗弯截面系数主要反映钢轨的承载能力。在载荷相同的前提下，抗弯截面系数越大，钢轨所受应力越小，钢轨承载能力越强。

从表1可以看出，除60R2绕轨道走向轴线的抗弯截面系数Wzh和Wzf未知外，60R2和59R2绕其他各轴线的抗弯截面系数基本相当。虽然60R2与59R2仅槽宽不同，但其他型面尺寸均相同，所以两种轨道绕轨道走向轴线的抗弯截面系数Wzh和Wzf应该差异不大。55G1和55G2绕各轴的抗弯截面系数也存在同样的规律。

从绕水平轴抗弯截面系数Wxh和Wxf数值看，60R2和59R2的竖直方向承载能力要强于55G1和55G2钢轨，横向承载能力稍弱。

表1 不同型面槽型轨抗弯截面系数 cm3

在参考文献[2]中，首先建立了有轨电车和不同轨道(包括不同扣件、轨枕、钢轨、道床)的数学模型，然后对比分析了车辆通过小曲线和直线线路时的钢轨的应力情况，其结果与上述对各种钢轨承载能力的定性分析结论相吻合。

根据这4种钢轨在国际上的应用情况及参考文献[2]的分析结果，这些钢轨的综合承载能力均满足有轨电车的使用要求，轨道承载能力对于槽型轨型面的选择影响不大。

2.2 轨头形状

从轨头圆角方面看，当车辆通过小曲线时，圆角半径越大，轨头圆角与轮缘根部接触面积越大，则轮轨接触应力相对降低，减缓了轮缘根部和轨头圆角的磨耗速度，提高了车轮和钢轨的使用寿命。

60R2和59R2轨角为R13，55G1和55G2轨角为R10。4种钢轨相比，应优先选用60R2和59R2槽型轨。

从轨头中部圆弧方面看，无论圆弧的半径大小还是圆弧的数量，均可根据其轮廓曲线重新设计出匹配轨头形状的车轮踏面。所以，这4种钢轨的轨头中部圆弧无利弊而言。

值得说明的是，59R2和60R2将轨底坡设在轨顶，极大地方便了轨道的铺设和调整，降低了线路施工成本。

2.3 轮缘槽宽

对于槽型轨型面选型而言，车轮踏面可根据不同钢轨轨头形状进行合理设计，但轮缘及轮背内侧距尺寸设计的合理性往往受制于轨距和钢轨的轮缘槽宽。

在选择钢轨的轮缘槽宽尺寸时，一方面需要轮缘槽尽可能窄，以降低轨道凹槽对路面平顺度的影响；另一方面，又需要轮缘槽足够宽，以避免因钢轨轮缘槽窄而导致轮缘被挤压，进而出现轮轨异常磨耗和钢轨维护成本增加的情况。下面以表2中的轮每处服务中心会有3个服务窗口开放。

表2 某有轨电车轮轨参数表

轨参数及图3的踏面形状为例，介绍直线和曲线槽型轨轮缘槽宽合理的选择方法。

图3 某有轨电车踏面图

2.3.1 直线轮缘槽宽度合理性的确定

在分析直线轮缘槽宽尺寸是否合理时，TRSP[3]规范建议将直线轨距、轨距测量点距轨顶高度、轮背内侧距、轮缘厚度、车轴变形、弹性车轮变形等尺寸与公差作为输入参数，通过以下两个限制条件、一个建议及图4所示位置关系进行校核。

图4 槽型轨轮轨几何关系

(1) 限制条件一: 轮缘端面与轨头侧面间无卡滞，即

St,min-sw,max>0 (新轮新轨状态)

(1)

St,min=St+St_n，min

sw,max=kw+kw_t,max+2·Atβw+2dw+Δkw

(2) 限制条件二: 轮缘背部与护轮轨间无卡滞，即

kw,min-kt,max>0 (新轮新轨状态)

(2)

kw,min=kw+kw_t,min+2Atβw

Kt,max=St+St_t,max+ΔSt-2(Ht+Ht_t,min)

(3) 建议: 如果可能，当一侧轮缘贴靠轨头时，另一侧轮缘背部不与护轮轨发生挤压，即

lw,min-Lt,max>0 (磨耗轮磨耗轨状态)

(3)

lw,min=kw,min+dw,min=kw+kw_t,min+

2Atβw+dw-dw_e

Lt,max=St+St_w,max+ΔSt-(Ht+Ht_t,min)

将表2的参数代入式(1)～(3)计算，结果见表3。

表3 两种槽型轨直线线路轮轨接口校核结果

2.3.2 曲线轮缘槽宽度合理性的确定

在分析曲线轮缘槽宽度尺寸是否合理时，TRSP建议不采用槽型轨的护轮轨导向车轮，而采用足够宽的轮缘槽，以避免轮缘背部与护轮轨接触后产生附加的倾覆力矩。护轮轨仅起到防脱限作用，但槽宽不得大于45 mm。

关于曲线轮缘槽宽尺寸的选择，美国联邦运输委员会发布的《交通运输联合研究项目》[4](简写TCRP)和德国TRSP[3]规范都有说明。两种规范均建议采作图法来确定所选轮缘槽宽是否满足要求。该方法考虑了车轴、弹性车轮横向变形及轨距、槽宽、轮缘厚度公差等所带来的影响。

根据TCRP[4]推荐的Nytram-Plot作图法，采用表2的参数及图3所示的踏面形状，对某有轨电车转向架分别通过窄槽60R2槽型轨和宽槽59R2槽型轨25 m曲线时的情况进行了分析。

图5的分析结果显示，转向架通过60R2槽型轨25 m曲线时，导向轮的轮缘背部与槽型轨护轮轨发生了几何干涉。图6的分析结果显示，转向架通过59R2槽型轨25 m曲线时，轮缘与护轮轨无干涉的情况发生。

从而可以看出，采用标准DIN25112[5]或接近标准的踏面(如图3)时，小曲线采用轮缘槽较窄的60R2、55G1槽型轨更易造成轮轨异常磨耗，而采用宽槽的59R2、55G2槽型轨就不会有这种情况发生。

2.4 轮缘槽深

TRSP[3]规定，对于深槽钢轨，轨头垂向磨耗后允许车轮轮缘顶部与轮缘槽底部接触，但这样会影响车辆的制动能力，还是要尽量避免轮缘顶与轮缘槽底部接触。

图6 转向架通过59R2槽型轨曲线半径为25 m时的情况

上述4种钢轨的轮缘槽深基本相同，约46 mm。所以，从轮缘槽深角度看，这4种钢轨并无差异。

2.5 采购成本

工艺水平相当的前提下，通常钢轨的成本与其质量有关。根据表4，可知钢轨成本从高至低依次为：60R2、59R2、55G2、55G1。但根据目前的市场情况，这几种钢轨质量的差距不足以影响到钢轨型面的选择。

表4 不同型面钢轨单位质量

3 主流槽型轨的应用

槽型轨在欧洲和美国的应用较早，因欧洲有轨电车线路早期大量采用了S49型T型轨、美国有轨电车线路采用了115RE型T型轨，为了实现与S49、115RE轨头型面匹配，以保证车辆的运行品质不发生改变，钢轨嵌入地面式有轨电车线路主要选择了59R2和60R2槽型轨。这两种钢轨型面除轮缘槽宽外，轨头形状完全相同。

根据国际公共运输联盟(UITP)2013年公布的《轻轨车辆轮轨关系及车轮磨耗研究》[6]资料显示，轮缘槽宽为42 mm的59R2槽型轨应用较多，槽宽(36 mm)较窄的60R2相对于59R2槽型轨而言应用较少，具体见表5。

目前，我国槽型轨线路最长且车辆运营里程最长的沈阳浑南低地板有轨电车系统，线路正线全部采用了59R2槽型轨，现已运营了4年，轮轨间从未出现过异常磨耗。

表5 2013年UITP有轨电车系统轮轨参数统计表

4 与铁路干线共轨问题的探讨

若使有轨电车在槽型轨线路和铁路干线线路上共轨运行，则面临轨头型面匹配问题，以及道岔与车辆的接口匹配问题。

在欧洲标准中，与59R2、60R2两种槽型轨轨头形状完全匹配的T形轨型号为49E1。目前，我国没有自己的槽型轨型面，大多采用欧洲的59R2或60R2型槽型轨。这两种轨头型面无法与国内常用的T型50 kg/m或60 kg/m钢轨匹配。如果想实现有轨电车在槽型轨线路和铁路干线线路上共轨运行，则需开发出与50 kg/m或60 kg/m完全匹配的槽型轨型面。

由于槽型轨轮缘槽宽的限制，有轨电车轮背内侧距大多为1 380 mm左右，而铁路干线车辆轮背内侧距通常为1 353 mm(或1 360 mm)。两种轨道车辆系统轮背内侧距的巨大差异，导致两种线路系统道岔接口不可能保持一致，所以无法从轨道角度实现有轨电车在两种线路系统中的共轨运行。不过，可以设计一种新的踏面形状，使轮对具备双轮背内侧距的特点，以同时满足槽型轨线路和铁路干线线路道岔的通过。

5 结语

综上所述，几种钢轨的承载能力、轨道质量及轮缘槽深的微小差异对钢轨的选型影响不大，但轨头形状和轮缘槽宽差异很大。从降低线路的铺设成本、轮轨磨耗的维护成本及小曲线轮轨啸叫等角度考虑，采用轮缘槽宽较宽、轮缘顶部集成轨顶坡的59R2槽型轨是最佳的选择。若考虑为提高路面的平顺度而选择了槽窄的60R2槽型轨，则转向架需要采用薄轮缘踏面。这样将大大降低了轮缘的使用寿命，增加了车辆维护成本。此外，为实现有轨电车在槽型轨线路和铁路干线线路上的共轨运行，建议尽快设计出匹配国内常用T型轨的槽型轨型面。